JP2014024473A - ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価且つ簡単な構成により、操舵感を損なわせることなく、路面からステアリングホイールに伝達される振動によるドライバの違和感を低減することができるステアリング装置を提供する。
【解決手段】ステアリングホイール４に直結するステアリング軸２に第１のフック継手５を介して中間軸６を連結したステアリング装置１において、第１のフック継手５を構成する第１のヨーク５ａを、車両の直進状態においてヨーク面が垂直方向に延在するよう回転位置を位置決めしてステアリング軸２に連結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステアリングホイールと操舵輪との間にフック継手が介在するステアリング装置に関する。

従来、車両のステアリング装置においては、ラックピニオン式のステアリング装置が広く用いられている。このラックピニオン式のステアリング装置では、ステアリングホイールに連結するステアリング軸（入力軸）が、第１の自在継手を介して、中間軸（出力軸）に連結されている。また、中間軸には、第２の自在継手を介してピニオン軸が連結され、このピニオン軸に設けられたピニオンが、ギヤボックス内に配設されたラックに噛合されている。ここで、第１，第２の自在継手としては、等速ジョイント等を用いることも可能であるが、一般には、安価なフック継手が広く採用されている。

ところで、この種のステアリング装置では、路面の凹凸等に起因する操舵輪の振動によってラックが加振される。このラックの振動は、ピニオンを通じて回転変動に変換され、第２の自在継手、中間軸、及び、第１の自在継手を介してステアリング軸へと入力される。その際、例えば、第１の自在継手としてフック継手が採用されている場合には、当該第１の自在継手で２次偶力に変換された振動等もステアリング軸に入力される。そして、これらの振動によってステアリング軸に共振が発生すると、ステアリングホイールに高周波の振動が伝達され、ドライバに違和感を与える場合がある。

このような高周波振動を抑制するための対策として、例えば、ステアリング軸の太径化や、ステアリングコラム内でステアリング軸を支持するベアリング数の追加、或いは、ベアリングのクリアランスのタイト化等の対策を行うことが可能である。

さらに、高周波振動の抑制はステアリング軸に入力される振動を緩衝することによっても可能であり、例えば、特許文献１には、中間シャフト（中間軸）にラバーカップリング部の弾性継手（緩衝部）を設けるとともに、メインシャフト（ステアリング軸）の下端部にラバーブッシュ部の弾性軸継手（緩衝部）を設けた技術が開示されている。

特開２００１−１９９３５２号公報

しかしながら、上述のように、ステアリング軸の太径化やベアリング数の追加、或いは、ベアリングのクリアランスのタイト化等によって振動対策を行った場合、ステアリング装置の重量の増加や製造コストの高騰、或いは、フリクションの増加に伴う操舵感の低下等を招く虞がある。

また、上述の特許文献１に開示された技術のように中間軸等に緩衝部を設けた技術についても、ステアリング装置の重量の増加や製造コストの高騰、或いは、緩衝部における応答性の低下に起因した操舵感の低下等を招く虞がある。

なお、例えば、ステアリング軸が挿通されるステアリングコラム上にアシストトルク発生用の電動モータが配設されたコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置では、路面からステアリング軸までの振動の減衰が少ない。このため、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置では、第１の自在継手で発生す２次偶力も大きく、当該２次偶力を含めた振動対策が特に必要となる。その一方で、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置では、電動モータによって中間軸等に大きなトルクが伝達されるため、そもそも、上述の特許文献１に開示されたように緩衝部を設ける技術自体が馴染まないという問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、安価且つ簡単な構成により、操舵感を損なわせることなく、路面からステアリングホイールに伝達される振動によるドライバの違和感を低減することができるステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるステアリング装置は、ステアリングホイールに直結する入力軸にフック継手を介して出力軸を連結した車両用のステアリング装置において、前記フック継手を構成する前記入力軸側のヨークを、車両の直進状態においてヨーク面が垂直方向に延在するよう回転位置を位置決めして前記出力軸に連結したこものである。

本発明のステアリング装置によれば、安価且つ簡単な構成により、操舵感を損なわせることなく、路面からステアリングホイールに伝達される振動によるドライバの違和感を低減することができる。

ラックピニオン式の電動パワーステアリング装置の概略構成図 路面からの振動の伝達系を示す説明図 ステアリング装置の要部を示す分解図 ステアリング軸の振動解析モデルを示す説明図 入力側のヨーク面を垂直方向に沿ってセットしてステアリング軸の下端を水平方向に加振したときの周波数とステアリングホイールの右端での位相との関係についてのシミュレーション結果を示す図表 入力側のヨーク面を垂直方向に沿ってセットしてステアリング軸の下端を水平方向に加振したときの周波数とステアリングホイールの右端での振動レベルとの関係についてのシミュレーション結果を示す図表 実走時の入力周波数とステアリングホイールの下端での振動レベルとの関係を示す図表 第１のフック継手で発生する２次偶力とステアリングホイールの振動方向との関係を示す説明図 第１のフック継手で発生する２次偶力とステアリングホイールの振動方向との関係を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１はラックピニオン式の電動パワーステアリング装置の概略構成図、図２は路面からの振動の伝達系を示す説明図、図３はステアリング装置の要部を示す分解図、図４はステアリング軸の振動解析モデルを示す説明図、図５は入力側のヨーク面を垂直方向に沿ってセットしてステアリング軸の下端を水平方向に加振したときの周波数とステアリングホイールの右端での位相との関係についてのシミュレーション結果を示す図表、図６は入力側のヨーク面を垂直方向に沿ってセットしてステアリング軸の下端を水平方向に加振したときの周波数とステアリングホイールの右端での振動レベルとの関係についてのシミュレーション結果を示す図表、図７は実走時の入力周波数とステアリングホイールの下端での振動レベルとの関係を示す図表、図８，９は第１のフック継手で発生する２次偶力とステアリングホイールの振動方向との関係を示す説明図である。

図１において、符号１は、車両用のステアリング装置を示し、より具体的には、ラックピニオン式の電動パワーステアリング装置を示す。このステアリング装置１は入力軸としてのステアリング軸２を有し、このステアリング軸２は、ステアリングコラム３内に挿通され、図示しないベアリング等を介して回動自在に支承されている。ステアリング軸２の一端側（上端側）は車室内に延出され、このステアリング軸２の一端部には、ステアリングホイール４が固設されている。

一方、ステアリング軸２の他端側（下端側）はエンジンルーム内に延出され、このステアリング軸２の下端部には、第１のフック継手５を介して、出力軸としての中間軸６の上端部が連結されている。また、中間軸６の下端部には、第２のフック継手７を介して、ピニオン軸８の上端部が連結されている。

ここで、図１，２に示すように、第１のフック継手５は、ステアリング軸２の下端部にスプライン嵌合するＵ字状の第１のヨーク５ａと、中間軸６の上端部にスプライン嵌合するＵ字状の第２のヨーク５ｂと、これらを連結する十字ピン５ｃと、を有して構成されている。同様に、第２のフック継手７は、中間軸６の下端部にスプライン嵌合するＵ字状の第１のヨーク７ａと、ピニオン軸８の上端部にスプライン嵌合するＵ字状の第２のヨーク７ｂと、これらを連結する十字ピン７ｃと、を有して構成されている。

ピニオン軸８の下端部にはピニオン９が設けられ、このピニオン９には、ステアリングギヤボックス１０内に配設されたラック１１が噛合されている。ステアリングギヤボックス１０内において、ラック１１は車幅方向に移動可能となっており、このラック１１の左右端部からはラック軸１２が延設されている。

ラック軸１２の各端部は、ステアリングギヤボックス１０の両端部に連設するダストブーツ１３内に臨まされ、ラックエンド１２ａを介して、タイロッド１４に連結されている。さらに、例えば、図２に示すように、各タイロッド１４には、フロントナックル１５を介して、操舵輪としての前輪１６がそれぞれ連結されている。

図１に示すように、ステアリングコラム３には、ドライバによるステアリングホイール４への操舵入力に応じて、ステアリング軸２にアシストトルクを付与するためのトルクアシスト手段としてのモータユニット２０が設けられている。このモータユニット２０は、例えば、電動モータ２１と、この電動モータ２１によるアシストトルクをステアリング軸２に伝達するためのギヤ機構部２２とを有して構成されている。ここで、電動モータ２１には図示しない制御ユニットが接続され、電動モータ２１で発生させるアシストトルクは、例えば、操舵トルクと車速とをパラメータとして予め設定された特性マップに基づいて可変設定される。

ところで、この種のステアリング装置１においては、車両走行時に、路面の凹凸等に起因する操舵輪１６の振動がステアリングホイール４に伝達される。具体的には、例えば、図２に示すように、車両走行時に操舵輪１６が加振されると、この操舵輪１６の振動ｆ１は、フロントナックル１５、タイロッド１４、及び、ラック軸１２等を介してラック１１に伝達され、主としてラック１１を車幅方向に加振する。このラック１１の車幅方向の振動は、ピニオン９によってピニオン軸８周りの回転振動ｆ２に変換され、第２のフック継手７を介して中間軸６に伝達される。そして、中間軸６に伝達された振動ｆ３は、第１のフック継手５を介してステアリング軸２に伝達される。その際、振動ｆ３の一部は、第１のフック継手５において、第１のヨーク５ａのヨーク面に対して垂直な方向の２次偶力に変換される。すなわち、ステアリング軸２には、中間軸６から直接的に伝達される振動ｆ４のみならず、２次偶力による振動ｆ５が伝達される。そして、これらの振動によってステアリング軸２に共振が発生すると、ステアリングホイール４上の所定方向に高周波の振動が伝達される。なお、第２のフック継手７においても同様の２次偶力は発生するが、ステアリング軸２の共振に与える影響は低いと考えられるため、説明を省略する。

図４は、ステアリング軸２の振動解析モデルを示し、図中の符号１０２はステアリング軸２、符号１０３はステアリングコラム３、符号１０４はステアリングホイール４（例えば、質量４．８ｋｇ）、符号１２０はモータユニット２０（例えば、質量５．７ｋｇ）符号１３０はステアリングサポートビーム側の支持剛性、符号１３１はトーボード側の支持剛性をそれぞれモデル化したものである。なお、同図においてステアリング軸１０２の軸心方向をＸ軸、ステアリングホイール１０４の左右方向をＹ軸、これらＸ軸及びＹ軸に直交する軸をＺ軸と定義する。

この解析モデルを用い、ステアリング軸１０２の下端をＹ軸方向に加振したときのステアリングホイール１０４の右端のＸ軸方向の応答について調べたシミュレーション結果として、ステアリング軸１０２の下端に対する加振周波数とステアリングホイール１０４の右端での位相との関係を図５に示し、ステアリング軸１０２の下端に対する加振周波数とステアリングホイール１０４の右端での振動レベルとの関係を図６に示す。ここで、図５及び図６中の実線で示す特性は、第１のヨークのヨーク面がＸ−Ｙ面に沿うよう第１のフック継手をステアリング軸１０２に接続したとき（すなわち、図中のＸ−Ｙ平面に２次偶力を発生させたとき）のシミュレーション結果であり、破線で示す特性は、第１のフック継手をステアリング軸１０２から取り外したときのシミュレーション結果を示す。

これらにより、２次偶力がステアリングホイール１０４における振動レベルにも影響を及ぼしていると考えられる。そこで、実車において、ステアリングホイール４の左右方向に対し、第１のヨーク５ａのヨーク面の回転位置を変化させながら（すなわち、２次偶力の発生方向を変化させながら）実走試験を行った結果、例えば、図７中に破線で示すように、直進状態において、ヨーク面が車幅方向に沿って延在するよう（すなわち、図４のＸ−Ｙ平面に沿って延在するよう）第１のヨーク５ａをステアリング軸２に取り付けた場合が最も振動レベルが高く（悪く）、図７中に実線で示すように、ヨーク面が車体上下方向に沿って延在するよう（すなわち、図４のＸ−Ｚ平面に沿って延在するよう）第１のヨーク５ａをステアリング軸２に取り付けた場合が最も振動レベルが低く（良く）なることが分かった。

ここで、舵角が零度の直進時において、ドライバはステアリングホイール４の左右端（すなわち、９時、３時方向）を把持することが一般的であることから、ドライバが把持した手３５に伝わる振動レベルを抑制するためには、例えば、図８に示すように、共振による振動レベルが最も低くなる点（節点）がステアリングホイール４の左右両端に位置するよう、２次偶力の発生方向を図中のＸ−Ｚ平面に設定すれば良い。すなわち、舵角が零度の直進時において、ヨーク面を車体の垂直方向に沿って延在させる回転位置で第１のヨーク５ａをステアリング軸２に接続すれば良い。

逆に、例えば、図９に示すように、舵角が零度の直進時において、ヨーク面を車幅方向に沿って延在させる回転位置で第１のヨーク５ａをステアリング軸２に接続した場合（２次偶力を図中のＸ−Ｙ平面に発生させた場合）、共振による振動レベルが最も高くなる点（腹点）がステアリングホイール４の左右両端に位置し、ステアリングホイール４を把持した手３５に伝わる振動レベルが最も悪くなる。

これらに基づき、本実施形態のステアリング装置１では、例えば、図１に示すように、第１のフック継手５を構成する入力軸側のヨークである第１のヨーク５ａは、車両の直進状態においてヨーク面が垂直方向に延在するよう回転位置が位置決めされた状態でステアリング軸２に連結されている。

ここで、このようなステアリング装置１の組み立て時において、ステアリング軸２に組み付けられるステアリングホイール４と第１のヨーク５ａとの相対的な回転位置の位置決めを的確に行うため、これら各部材には、位置決め手段としてのマークが付されている。すなわち、例えば、図３に示すように、ステアリング軸２の上端部及び下端部には位置決め用のマーク２５ａ，２５ｂが設けられている。一方、ステアリングホイール４にはステアリング軸２のマーク２５ａに対応するマーク２６が設けられ、第１のヨーク５ａにはステアリング軸２のマーク２５ｂに対応するマーク２７が設けられている。

そして、マーク２５ａの位置にマーク２６が一致するよう回転位置を位置決めしてステアリング軸２にステアリングホイール４をスプライン嵌合して組み付けるとともに、マーク２５ｂの位置にマーク２７が一致するよう回転位置を位置決めしてステアリング軸２に第１のヨーク５ａをスプライン嵌合して組み付けることにより、第１のヨーク５ａは、操舵角が零度となる車両の直進時において、ヨーク面が垂直方向に延在するよう位置決めされた状態でステアリング軸２に連結される。なお、このような位置決め手段としては、上述のようなマーク２５ａ，２５ｂ，２６，２７に限定されるものではなく、例えば、ステアリング軸２の両端部にキーを設け、これら各キーに嵌合するキー溝をステアリングホイール４及び第１のヨーク５ａにそれぞれ設けることにより実現することも可能である。

このような実施形態によれば、ステアリングホイール４に直結するステアリング軸２に第１のフック継手５を介して中間軸６を連結したステアリング装置１において、第１のフック継手５を構成する第１のヨーク５ａを、車両の直進状態においてヨーク面が垂直方向に延在するよう回転位置を位置決めしてステアリング軸２に連結したことにより、安価且つ簡単な構成により、操舵感を損なわせることなく、路面からステアリングホイール４に伝達される振動によるドライバの違和感を低減することができる。

すなわち、２次偶力の発生方向と一致する方向の共振において振動レベルが大きくなるという考察に基づき、直進時におけるステアリングホイール４に対する一般的なドライバの把持方向（９時、３時方向）に対し、２次偶力の発生方向が直交するよう第１のヨーク５ａをステアリング軸２に連結することにより、路面からステアリングホイール４に伝達される振動によるドライバの違和感を低減することができる。換言すれば、ステアリング軸２の共振によってステアリングホイール４に伝達される振動自体を抑制するのではなく、直進走行時に一般的なドライバがステアリングホイール４を９時、３時方向に保舵していることに着目し、２次偶力の影響が最も大きい共振方向と、ドライバがステアリングホイール４を一般的に把持する方向とを直交させることにより、安価且つ簡単な構成により、操舵感を損なわせることなく、路面からステアリングホイール４に伝達される振動によるドライバの違和感を低減することができる。

なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。

例えば、上述の実施形態においては、路面からのステアリング軸２までの振動の減衰が少なく、特に第１のヨーク５ａにおいて大きな２次偶力の発生が予想されるコラムアシスト式のパワーステアリング装置１を例に説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、ラックアシスト式、或いは、ピニオンアシスト式のパワーステアリング装置に対しても適用が可能であることは勿論である。

また、上述の実施形態において、第１のヨーク５ａの垂直方向等は、厳密な意味での垂直方向等に限定されるものではなく、所定の誤差範囲も含まれ得ることは勿論である。

１ … ステアリング装置
２ … ステアリング軸（入力軸）
３ … ステアリングコラム
４ … ステアリングホイール
５ … 第１のフック継手（フック継手）
５ａ … 第１のヨーク（入力軸側のヨーク）
５ｂ … 第２のヨーク
５ｃ … 十字ピン
６ … 中間軸（出力軸）
７ … 第２のフック継手
７ａ … 第１のヨーク
７ｂ … 第２のヨーク
７ｃ … 十字ピン
８ … ピニオン軸
９ … ピニオン
１０ … ステアリングギヤボックス
１１ … ラック
１２ … ラック軸
１２ａ … ラックエンド
１３ … ダストブーツ
１４ … タイロッド
１５ … フロントナックル
１６ … 前輪
２０ … モータユニット（トルクアシスト手段）
２１ … 電動モータ（トルクアシスト手段）
２２ … ギヤ機構部（トルクアシスト手段）
２５ａ … マーク（位置決め手段）
２５ｂ … マーク（位置決め手段）
２６ … マーク（位置決め手段）
２７ … マーク（位置決め手段）
３５ … 手

Claims (3)

1. ステアリングホイールに直結する入力軸にフック継手を介して出力軸を連結した車両用のステアリング装置において、
   前記フック継手を構成する前記入力軸側のヨークを、車両の直進状態においてヨーク面が垂直方向に延在するよう回転位置を位置決めして前記出力軸に連結したことを特徴とするステアリング装置。
2. 前記ステアリングホイールと、前記入力軸と、前記ヨークと、の組付時の相対的な回転位置を規定する位置決め手段を有することを特徴とする請求項１記載のステアリング装置。
3. 前記ステアリングホイールに対する操舵入力に対し、前記入力軸にアシストトルクを付与するトルクアシスト手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のステアリング装置。

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